Nature: 运动如何提高细胞健康和整体健康?

无论是跑步还是举重，运动对健康的好处已经不是秘密。研究发现，每周快走450分钟与相比不进行任何休闲时间运动的人相比，寿命平均长4.5年，而且定期进行体育活动可以增强免疫系统，预防如癌症、心血管疾病和2型糖尿病等慢性疾病。

但纽约大学的细胞生物学家Dafna Bar-Sagi说，关键问题是运动是如何发挥其增进健康的效果的。

“我们知道运动是有益的，但我们仍然对它对细胞的作用了解甚少，”Bar-Sagi说。

在过去的十年中，研究人员开始构建在运动期间和之后在全身触发的庞大的细胞和分子过程的图景。其中一些过程降低炎症，而其他过程则增强细胞修复和维护。运动还促使细胞释放信号分子，这些分子在器官和组织之间传递着不同的信息： 从肌肉细胞到免疫和心血管系统，或从肝脏到大脑。

但研究人员才刚开始解析这种交叉联系的含义，哥本哈根大学的分子生物学家Atul Shahaji Deshmukh说。“任何单一分子在系统中都不是单独工作的，这是一个整体网络一起运作。”

运动还吸引了资金方的关注。例如，美国国家卫生研究院（NIH）投资了1.7亿美元，对人和小鼠进行为期六年的研究，旨在创建运动效果背后分子的全面图谱，以及这些分子在运动期间和之后是如何变化的。该研究联盟已经发布了第一批来自小鼠研究的数据，这些研究探讨了运动如何在器官、组织和基因表达上引发变化，以及这些变化在不同性别之间的差异。

构建对运动相关的分子世界更清晰的视图，可能会揭示模拟其效果的药物的治疗靶标——可能服用一粒药丸就能提供锻炼的好处。然而，这样的药物能否模拟真正锻炼的所有优势，仍然存在争议。

这项工作还可能提供有关哪些类型的体育活动可以有益于慢性病患者的线索，哥本哈根大学内科和传染病专家Klarlund Pedersen说。“我们认为你可以像开药一样开运动处方，”她说。

为运动而生

运动是人类进化故事中的一个基本要素。虽然其他灵长类动物演化成了相对久坐不动的物种，但人类转变为需要走长距离、携带负重食物和偶尔从威胁中奔跑的狩猎采集者生活方式。

体能更好的人更有能力活得更久，这使得运动成为人类生理的核心部分，哈佛大学的古人类学家Daniel Lieberman说。转变为更活跃的生活方式导致了人体的变化：运动消耗了本来会储存为脂肪的能量，过量的脂肪增加了心血管疾病、2型糖尿病和某些癌症的风险。跑步或举铁引起的压力有可能对细胞造成损害，但它也启动了一系列的细胞过程，这些过程努力逆转这些损害影响。Lieberman说，这可以使身体比没有运动时更健康。

研究人员已经探索了一个多世纪以来运动期间发生的一些生物学变化。在1910年，剑桥大学的药理学家Fred Ransom发现，骨骼肌细胞分泌乳酸，这是当身体分解葡萄糖并将其转化为燃料时产生的。而在1961年，研究人员推测，骨骼肌在运动期间释放一种有助于调节葡萄糖的物质。

还有更多线索。在1999年，哥本哈根大学内科和传染病专家Klarlund Pedersen和她的同事在跑步者参加马拉松前后收集了血液样本，发现几种细胞因子--一种免疫分子--在运动后立即激增，许多在之后4小时仍保持高水平。这些细胞因子中包括白细胞介素-6（IL-6），这是一种在身体的防御反应中扮演关键角色的多功能蛋白。次年，Klarlund Pedersen及其同事发现，IL-6是由运动中的收缩肌肉分泌的，使其成为“运动因子”--对运动反应产生的化合物的统称。

IL-6的高水平可能是有益的或有害的，这取决于如何激发它。在休息时，过多的IL-6具有炎症作用，并与肥胖和胰岛素抵抗性相关，后者是2型糖尿病的标志，Klarlund Pedersen说。

但在运动时，IL-6这种分子激活其更具抗炎作用的家族成员，如IL-10和IL-1ra，它们降低炎症及其有害效应。“每一次运动，你都会引发一次抗炎反应”，Klarlund Pedersen说。虽然一些体育活动比没有好，但长时间、高强度的运动，涉及大肌肉群的活动--如跑步或骑自行车--将增加IL-6的产生，Klarlund Pedersen补充道。

运动在其他方面也是一种平衡行为。体育活动产生细胞压力，某些分子抵消这种损害效应。当细胞的动力站--线粒体在运动期间加大产量时，它们也会产生更多的副产品，称为活性氧（ROS），这些在过量时可以损害蛋白质、脂质和DNA。但这些活性氧（ROS）在运动期间也启动了一大群保护性过程，抵消它们更有毒的效应，并强化细胞防御。

在这个维护和修复武器库中的分子明星包括蛋白质PGC-1α，它调节重要的骨骼肌基因，以及NRF2，它激活编码保护性抗氧化酶的基因。在运动期间，身体已经学会从一个根本上的压力过程中获益。“如果压力不杀了你，它会让你更强大”，中国科学院遗传与发育生物学研究所的遗传学家叶天说。

运动因子无处不在

自从IL-6开启运动因子时代以来，多组学的爆炸--一种结合各种生物数据集的方法，如蛋白质组和代谢组--已经允许研究人员超越单一分子的追踪。

他们现在可以开始解开运动背后复杂的分子网络，以及它是如何与身体不同系统相互作用的，加州斯坦福大学的遗传学家Michael Snyder说，“我们需要了解这些是如何一起工作的，因为人类是一个需要适当调整的稳态机器”。

在2020年，Snyder和他的同事在36名年龄在40至75岁之间的人在跑步机上跑步前、中和后的不同时间间隔取血样。团队使用多组学分析测量了超过17,000种分子，其中一半以上在运动后显示出显著变化。他们还发现，运动触发了生物过程的复杂“编排”，如能量代谢、氧化应激和炎症。创建运动分子目录是理解其对身体影响的重要第一步，Snyder说。

其他研究探究了运动如何影响细胞类型。2022年，斯坦福大学的病理学家Jonathan Long领导的一项在小鼠中的研究发现，21种细胞类型中有200多种蛋白质的表达发生了变化。研究人员原本预期发现肝脏、肌肉和骨骼的细胞对运动最为敏感，但令他们惊讶的是，他们发现一种出现在许多组织和器官中的更为普遍的细胞类型，在它们大量生产或减少的蛋白质中表现出了最大的变化。这些发现表明，更多类型的细胞在运动过程中转变其模式，这超出了之前的认知，尽管这些变化对身体意味着什么还是一个未解之谜，Long说。

这些发现还表明，运动后，小鼠的肝细胞分泌了几种类型的羧酸酯酶，这些酶已知可以提升新陈代谢。当Jonathan Long和他的同事在遗传上调整小鼠，使它们的肝脏表达这些提高代谢的酶的水平升高，并随后喂食高脂饮食时，这些小鼠没有增加体重。它们在跑步机上的耐力也得到了增强。“通过这些分泌的羧酸酯酶改善运动表现的效果之前是未知的”。Jonathan Long补充说，如果这些酶能以正确的数量和纯度生产出来，它们可能被用作模拟运动的化合物。

在运动期间，不相邻的器官和组织通过分子信号相互沟通。除了运动因子，细胞外囊泡（EVs）--一种纳米大小、泡沫状结构，携带生物材料--可能是器官和组织交流的一种机制，墨尔本蒙纳士大学的运动生理学家Mark Febbraio说。在2018年，Febbraio和他的团队将抽血管插入11名健康男性的股动脉，并在他们骑自行车增加速度一小时前后抽血。在运动期间和之后，但非休息时，他们发现组成或由细胞外囊泡（EVs）携带的300多种类型的蛋白质水平有所增加。

当团队随后从在跑步机上跑步的小鼠体内收集细胞外囊泡（EVs），并将它们注射到另一组健康小鼠中时，大部分细胞外囊泡（EVs）最终进入了肝细胞。在尚未发表的另一项小鼠研究中，Febbraio和他的同事发现这些进入肝脏的细胞外囊泡（EVs）的内容可以阻止某种类型的肝病。“我们仍然不太了解，”他说。

运动作为药物

更大规模的努力正在进行中，以建立详细的分子快照，了解运动如何在组织和器官中发挥其增进健康的效果。2016年，美国国家卫生研究院（NIH）设立了体育活动的分子转导者联盟（MoTrPAC），这是一个为期六年的研究，针对约2600人和800多只小鼠，旨在生成运动的分子地图。这项工作--这是关于体育活动的最大规模的研究之一--正在揭示有氧和耐力运动对不同年龄和健身水平的多种组织类型的影响。

第一批数据来自完成一到八周跑步机训练的小鼠，研究人员在训练结束时收集了它们的血液和组织样本。研究人员发现了小鼠体内数千个分子变化，其中许多可能具有保护健康的作用，例如降低炎症性肠病和组织损伤。另一项研究发现，耐力训练的效果在性别间存在差异：与男性脂肪组织中与脂肪分解有关的标记增加，促进脂肪减少不同，女性脂肪组织中与脂肪细胞维持和胰岛素信号相关的标记增加，这可能有助于防止心血管代谢疾病。第三项研究发现运动改变了与疾病如哮喘相关的基因表达，可能有助于触发类似的适应性反应。

一个重要的目标是揭示为什么运动对不同性别、年龄和种族背景的人有如此多样的效果，MoTrPAC团队成员、斯坦福大学的遗传学家Snyder说。“很明显，有些人比其他人受益更多，”他说。

研究人员希望这些大量的分子数据最终能帮助临床医生为患有慢性病的人开发定制的运动处方，匹兹堡大学的运动生理学家Bret Goodpaster说。从长远来看，这些见解可以用来开发模拟运动的某些有益效果的治疗方法，帮助那些无法运动的病人，“这并不是说我们将有运动的药丸，但有某些方面的运动是可以药物化的”，曾参加过铁人三项、马拉松和自行车比赛的Goodpaster说。

已经有几个团队处于开发模拟运动的治疗剂的早期阶段。2023年3月，由佛罗里达大学的药理学家Thomas Burris领导的一个团队确定了一个化合物，该化合物针对称为雌激素相关受体的蛋白，这些蛋白在运动期间尤其在心脏和骨骼肌等能量密集组织中触发关键的代谢途径。当研究人员将这种化合物--称为SLU-PP-332--给予小鼠时，他们发现经过处理的小鼠的跑步时间延长了70%，跑步距离增加了45%，与未经处理的小鼠相比。六个月后，Burris领导的另一项研究发现，与未接受治疗的小鼠相比，接受该药物治疗的肥胖小鼠减轻了体重并增加了较少的脂肪，尽管它们的饮食相同，也没有进行更多的运动。

运动本身已被证明像药物一样有效。在2022年，Bar-Sagi及其同事发现，患有胰腺癌的小鼠在每周进行5天、每次30分钟的有氧运动后，CD8 T细胞的水平提高了--这些细胞可以摧毁癌细胞和病毒感染的细胞。这些杀伤性细胞表达一种针对IL-15的受体，IL-15是肌肉在运动中释放的另一种运动因子。研究人员发现，当CD8 T细胞与IL-15结合时，它们会在胰腺中的肿瘤上释放出更强大的免疫反应。这种效果使得患有肿瘤的小鼠的存活时间较对照组小鼠延长了约40%。当Bar-Sagi及其团队分析从患有胰腺癌的人身上取出的肿瘤组织时，发现那些每周进行60分钟有氧和力量训练的人，CD8 T细胞更多，其五年生存率是对照组的两倍。

尽管增加运动显然有助于改善健康，但全球约25%的成人未达到世界卫生组织推荐的每周运动水平：150-300分钟或更多的中等强度运动，如快走；或75-150分钟的高强度运动，如跑步。澳大利亚悉尼大学的运动生理学家David James，他每天骑自行车上班，表示了解运动的内在机制可以帮助制定更清晰的公共健康信息，说明为什么体育活动重要以及它如何能降低患慢性疾病的风险。“这是一个有力的信息，”James说。

相关知识

水健康，细胞健康；细胞健康，人体才健康！
细胞健康=身体健康
如何通过细胞水分管理提升健康水平
【营养科学】细胞健康=人体健康
Nature子刊：发现新的细胞死亡机制，可为癌症治疗提供新策略
举家团聚，也别忘了提升免疫力，干细胞和免疫细胞谁更强？
如何通过适度运动保持细胞健康？福迈克18000带你探索NAD+提升技术的奥秘
健康课堂之生活方式与慢性粒细胞白血病如何调整生活方式
你知道吗？你了解吗？细胞健康=细胞健康！
Nature：揭示肌肉老化的分子秘密：细胞间交流与干细胞在肌肉衰退中的作用

网址: Nature: 运动如何提高细胞健康和整体健康? https://www.trfsz.com/newsview447921.html